Los Angeles'taki Kaliforniya Üniversitesi (UCLA) araştırmacıları, enerji depolama teknolojisinde önemli bir atılıma imza attı. Richard Kaner ve Maher El-Kady liderliğindeki ekip, mevcut benzer sistemlerden yedi kat daha fazla enerji depolayabilen, 3D yazıcıyla üretilmiş elektrotlara sahip bir çinko-iyon hibrit batarya geliştirdi.
Small dergisinde yayımlanan çalışmanın başında, UCLA'da doktorasını yeni tamamlayan Sophia Uemura bulunuyor. Bu yeniliğin temelini, gözenekli ve petek yapılı bir karbon elektrot oluşturulmasını sağlayan ultraviyole lazerli 3D baskı teknolojisi teşkil ediyor. Söz konusu elektrot, daha sonra yükü verimli bir şekilde depolayan bir malzeme olan vanadyum oksit ile kaplandı. Bu kompozit malzemenin sadece bir gramının yüzey alanı yaklaşık on tenis kortuna eşdeğer olup elektrokimyasal reaksiyonlar için muazzam bir etkileşim alanı sunuyor.
Cihaz, iki farklı enerji depolama modunu birleştiren hibrit bir sistem olarak çalışıyor: Bir elektrot üzerinde çinko iyonu interkalasyonu (geleneksel pillerde olduğu gibi) gerçekleşirken, diğerinde elektriksel çift tabakada yük birikimi (süperkapasitörlerde olduğu gibi) meydana geliyor. Bu kombinasyon, şarj ve deşarj hızından ödün vermeden yüksek enerji yoğunluğuna ulaşılmasını sağlıyor. Özel olarak tasarlanmış 3D baskılı bir test hücresinde gerçekleştirilen 1.500 şarj-deşarj döngüsünün ardından, standart karbon elektrotlar kapasitelerinin %98'ini korurken, geleneksel açık düzeneklerde bu elektrotların yüz döngüden daha kısa sürede işlevini yitirdiği görüldü.
Elektrodun üç boyutlu gözenekli mimarisi kritik bir sorunu çözüyor: Bu yapı, reaksiyon için uygun yüzeyi genişletiyor ve elektrot kalınlığını artırmadan çok daha fazla aktif vanadyum oksit malzemesi yerleştirilmesine imkan tanıyor. Araştırmacılar ayrıca sızdırmaz bir kapak ve sabit elektrot mesafesine sahip yenilikçi, 3D baskılı bir test hücresi geliştirdiler; bu yöntem çoğu laboratuvarda kullanılan açık kaplara elektrolit dökme şeklindeki ilkel teknikten çok daha tutarlı ve güvenilir sonuçlar veriyor.
Sonuçlar henüz laboratuvar aşamasında olsa ve tam kapsamlı batarya modülleri henüz üretilmemiş olsa da keşfin potansiyeli oldukça büyük. Çinkonun lityumdan yaklaşık yüz kat daha bol bulunması, çok daha ucuz olması, çıkarılmasının ve geri dönüştürülmesinin daha kolay olması, bu teknolojiyi güneş ve rüzgar santrallerinden elde edilen enerjinin sabit depolanması için cazip kılıyor. Şebeke düzeyinde uygulama için bazı pratik ve ekonomik engellerin aşılması gerekiyor: Bunlar arasında 3D baskı sürecinin ölçeklendirilmesi, sıcaklık dalgalanmaları dahil gerçek çalışma koşullarında malzemelerin uzun vadeli kararlılığı ve seri üretimde kilovat-saat başına maliyetin düşürülmesi yer alıyor.
Bu buluş, gelişmiş üretim teknolojileri (3D baskı), malzeme bilimi (gözenekli karbon iskeletindeki vanadyum oksit) ve elektrokimyasal tasarımın (hibrit batarya-süperkapasitör) birleşiminin enerji depolama özelliklerini nasıl kökten iyileştirebileceğini kanıtlıyor. Bu, laboratuvar ortamındaki bir başarıdan endüstriyel uygulamaya ve şebeke ölçeğinde yaygınlaşmaya giden yolda atılması gereken birçok adımdan sadece biridir.
